工作面上隅角瓦斯超限治理技術(shù)及相關(guān)設(shè)備選型研究

上官鑫

（長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047100）

引言

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的提高，煤炭產(chǎn)量逐年增加，煤礦開采條件逐漸復(fù)雜，不少工作面出現(xiàn)了瓦斯及有害氣體超限現(xiàn)象。因此有必要加強(qiáng)礦井的瓦斯及有害氣體防治管理，采取有效的瓦斯及有害氣體防治措施為煤礦的安全生產(chǎn)提供安全保障。本文針對(duì)經(jīng)坊煤業(yè)3303工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯及有害氣體進(jìn)行治理研究。

1 工程背景

經(jīng)坊煤業(yè)3號(hào)煤層3303工作面從開切眼開始推進(jìn)60m左右時(shí)，出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，其中工作面上隅角 φ（CH4）為 0.9%、φ（CO2）為 2.2%，回風(fēng)巷O2濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為15%。

上隅角瓦斯和有害氣體的超限問題極大地制約了礦井的安全高效生產(chǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際礦井地質(zhì)條件及瓦斯的來源進(jìn)行及時(shí)治理，采取經(jīng)濟(jì)、合理、有效的方法解決上隅角瓦斯及有害氣體超限問題，對(duì)于煤礦的安全高效可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。

2 工作面上隅角有害氣體超限的處理方案

針對(duì)3303工作面開切眼推進(jìn)60m后，上隅角出現(xiàn)瓦斯及有害氣體超限的問題[1]，通過分析上隅角瓦斯產(chǎn)生的原因，提出了以下四種處理瓦斯超限的方案。

2.1 設(shè)置采面隅角擋風(fēng)簾

設(shè)置采面上隅角擋風(fēng)簾?？拷仫L(fēng)巷一側(cè)布置不小于10的擋風(fēng)簾，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的風(fēng)流經(jīng)過工作面吹到擋風(fēng)簾時(shí)，擋風(fēng)簾起到改變風(fēng)流方向的作用，引到風(fēng)流吹向采煤工作面上隅角，進(jìn)而將上隅角的瓦斯帶走[2]。

當(dāng)工作面正常工作時(shí)，由于材料的運(yùn)輸、行人以及支、回柱的影響，往往會(huì)造成擋風(fēng)簾的破損，進(jìn)而使其失去作用，從而造成工作面瓦斯的急劇增大，影響正常生產(chǎn)。

2.2 尾巷排放瓦斯

新掘進(jìn)一條尾巷，輔助回風(fēng)巷進(jìn)行通風(fēng)。當(dāng)?shù)V井風(fēng)流經(jīng)該工作面時(shí)，會(huì)在上隅角區(qū)域分成兩部分風(fēng)流，一部分流入回風(fēng)順槽，一部分流入尾巷，尾巷隨采隨落[3]。

此方法有較大缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：增加了巷道掘進(jìn)量，加大了經(jīng)濟(jì)投入；同時(shí)會(huì)引發(fā)采空區(qū)風(fēng)流增大，導(dǎo)致風(fēng)流流經(jīng)采空區(qū)時(shí)，易發(fā)生煤層自燃等現(xiàn)象，故經(jīng)坊煤業(yè)3303工作面不適采用此方法。

2.3 安設(shè)專用抽出式風(fēng)機(jī)

在采煤工作面上隅角處安裝礦用抽出式通風(fēng)機(jī)，其主要原理是：在入風(fēng)口處形成負(fù)壓區(qū)，由于兩側(cè)壓差不同，運(yùn)輸順槽流經(jīng)工作面的主風(fēng)流會(huì)增大，以滿足風(fēng)機(jī)抽出量的要求。此時(shí)，當(dāng)上隅角積聚的瓦斯等有害氣體被稀釋后排入回風(fēng)巷時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛缺ＷC在一個(gè)安全值范圍內(nèi)[4]。

2.4 采用均壓通風(fēng)技術(shù)

經(jīng)坊煤礦3號(hào)煤層工作面有害氣體來源于3303煤層采空區(qū)和上覆層2號(hào)煤層采空區(qū)，漏風(fēng)通道壓差較大，根據(jù)該礦的實(shí)際情況，結(jié)合調(diào)節(jié)風(fēng)窗和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)兩種治理瓦斯超限的手段，通過平衡上隅角兩側(cè)壓差來解決瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)問題。結(jié)合兩種治理技術(shù)的壓力坡度曲線如下頁圖1所示。

局部通風(fēng)機(jī)—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓的工作原理是：在進(jìn)風(fēng)內(nèi)布置調(diào)壓風(fēng)機(jī)，并且調(diào)壓風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口兩側(cè)用兩到風(fēng)門隔離，同時(shí)在回風(fēng)巷內(nèi)布置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，將需要升壓的位置控制在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處于調(diào)節(jié)風(fēng)窗之間，此時(shí)，開動(dòng)調(diào)壓風(fēng)機(jī)，進(jìn)而增大其控制地點(diǎn)的風(fēng)壓，排走工作面集聚的瓦斯[5]。

經(jīng)過以上分析，結(jié)合經(jīng)坊煤礦實(shí)際及工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，擬采用方案四均壓通風(fēng)技術(shù)為排除上隅角瓦斯的方法，一旦采面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限，立即采用均壓通風(fēng)，通過增加工作面氣壓來平衡上隅角兩側(cè)壓差，及時(shí)檢測(cè)各區(qū)域是否有漏風(fēng)現(xiàn)象，并積極進(jìn)行處理。

圖1 調(diào)節(jié)風(fēng)窗與調(diào)壓風(fēng)機(jī)兩種方式下的壓力坡度線圖

3 均壓通風(fēng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型

3.1 工作面風(fēng)量計(jì)算

1）按工作面溫度、風(fēng)速計(jì)算

式中：Qi為第i個(gè)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量，m3/min；Vi為第i個(gè)工作面風(fēng)速，m/s（如表1所示，采煤工作面溫度一般在25℃左右所以風(fēng)速取1.5m/s）；Si為第i個(gè)工作面的平均斷面積，m2，估算為6m2；Ki為第i個(gè)工作面面長調(diào)整系數(shù)，查表取1.1；計(jì)算得594 m3/min，即 9.9m3/s。

表1 采煤工作面空氣溫度與合適風(fēng)速對(duì)應(yīng)表

2）按人數(shù)計(jì)算

式中：Ni為第i個(gè)工作面同時(shí)最多工作人數(shù)，按相關(guān)規(guī)定為20人；則Qi=4×20=80m3/min。

3）按瓦斯涌出量計(jì)算

式中，q為工作面瓦斯絕對(duì)涌出量，m3/min，根據(jù)礦井瓦斯鑒定資料，取3.0m3/min；k1為備用風(fēng)量系數(shù)，取1.5。則 Q＝100×3.0×1.5＝450m3/min＝7.5m3/s。

經(jīng)計(jì)算，按工作面的氣溫和風(fēng)速計(jì)算出的風(fēng)量最大，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，參考臨近礦井配風(fēng)數(shù)據(jù)，為保證采空區(qū)不產(chǎn)生大量漏風(fēng)現(xiàn)象，回采工作面風(fēng)量確定為9.9m3/s，礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中可根據(jù)瓦斯涌出和井下氣溫條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 局部通風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)該礦井實(shí)際通風(fēng)情況，同時(shí)考慮密閉墻處刮板輸送機(jī)口及采空區(qū)的漏風(fēng)量，確定局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量必須大于894m3/min，才能滿足工作面通風(fēng)要求。綜上所述，本次研究工作面選用FBDNO-8-2×45 kW對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)。

4 工作面上隅角瓦斯治理效果研究

為進(jìn)一步分析和研究采用調(diào)節(jié)風(fēng)窗與局部通風(fēng)機(jī)聯(lián)合均壓技術(shù)防治3號(hào)層工作面有害氣體的效果、可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)均壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了全面測(cè)定，進(jìn)而對(duì)均壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

啟動(dòng)均壓通風(fēng)系統(tǒng)后，為研究均壓通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，在隨后的24 h內(nèi)，對(duì)上隅角、回風(fēng)流中的CH4、CO2及CO濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用均壓通風(fēng)技術(shù)后，工作面內(nèi)的風(fēng)壓明顯增大，從而有效地阻止了向工作面漏風(fēng)通道兩側(cè)的壓差，迫使采空區(qū)或漏風(fēng)通道內(nèi)的瓦斯及有害氣體無法向回采工作面涌出。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用均壓通風(fēng)技術(shù)，即采用調(diào)節(jié)風(fēng)窗和局部通風(fēng)機(jī)聯(lián)合布置的均壓通風(fēng)技術(shù)可有效降低回采工作面內(nèi)瓦斯及有毒有害氣體的濃度，該技術(shù)具有可操作性。

5 結(jié)論

經(jīng)坊煤礦3號(hào)煤層工作面有害氣體來源于3號(hào)煤層采空區(qū)和上覆層2號(hào)煤層采空區(qū)，漏風(fēng)通道壓差較大，經(jīng)過以上分析，結(jié)合經(jīng)坊煤礦實(shí)際及工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，確定最優(yōu)的治理工作面上隅角有害氣體的方案為：調(diào)節(jié)風(fēng)窗與局部通風(fēng)機(jī)聯(lián)合使用的均壓通風(fēng)技術(shù)，該方法可提高工作面壓力，平衡上隅角兩側(cè)壓差，進(jìn)而減少采空區(qū)瓦斯向上隅角的涌出。本次設(shè)計(jì)選用面積為0.55 m2的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，型號(hào)為FBDNO-8-2×45 kW的對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)采用均壓通風(fēng)技術(shù)后，有效降低了回采工作面內(nèi)瓦斯及有毒有害氣體的濃度，證明該技術(shù)具有可操作性，應(yīng)用效果良好。